橋梁工程施工BIM技術建模方法研究

張宏敏

【摘 要】BIM技術涵蓋了在建筑工程的設計、施工、安裝、操作乃至整個生命周期與服務項目相關的大量信息。通過建立BIM模型的數字化設計，可以在提高生產方面發揮巨大作用，有著保證生產質量、節約成本、縮短工期及其他優點。在橋梁工程背景的基礎上，本文介紹了CATIA軟件的特點和優點，討論了三維的基本思想橋梁工程施工階段模型，分析了建模過程中的關鍵和難點問題并提出解決方案。通過BIM三維建模，該項目在施工方面更清楚地掌握了具體情況，而且建立BIM模型將直接滿足施工管理的需要。

【關鍵詞】橋梁施工；BIM；CATIA；三維建模

中圖分類號：O319.56 文獻標志碼：A

一、引言

建筑信息模型（BIM）被用作創新工具和生產方法已引發歐美等發達國家的巨大變化，是針對性的作為包括建設項目在內的相關信息和基于三維的數據模型，是對建筑結構的整個生命周期進行全方位的管理和協同工作，是建構的物理特征、功能特征、數字軸承和視覺表達。[1]隨著經濟蓬勃發展，大型橋梁建設項目發展不斷增加，人們對項目的經濟性、安全性、施工效率以及橋梁質量、預期壽命、景觀效應的要求也逐漸提高。依靠傳統的二維設計方法和傳統的施工方法已不能滿足人們對目前橋梁高標準要求和期望，信息技術的應用已經日益迫切且必要。[2]

過去，主要探討BIM技術在橋梁工程項目中的應用，和在理論層面上將BIM技術與橋梁工程項目的各個階段相結合，還有利用BIM軟件在工程建設階段進行實際建模研究以減少預算。

本文以橋梁工程為工程背景，探討橋梁工程在應用CATIA軟件對橋梁的施工階段進行三維建模的具體過程，并提出建立合理有效的三維模型的方法和建議。合理有效的三維模型是BIM的應用技術在建設過程中各方面的科學指導，建立合理有效的三維模型可以確保施工質量和施工效率，合理分析工程質量和安全并有助于施工監控，合理有效的三維模型已成為如何建立最大經濟效益的前提。

二、CATIA軟件介紹

CATIA軟件是DassaultSystèmes的先驅，并在產品設計方面處于世界領先地位。CATIA軟件擁有統一的用戶界面、數據管理與兼容、數據庫與應用程序接口、以及創新解決方案的一眾優點。由于它具有豐富的智能知識、機械產品設計、有限元分析、NC編程、數字虛擬原型及可以在其他領域廣泛使用的強大功能模塊，它受到來自航空、汽車和其他諸多領域的用戶的青睞。

目前，大多數CAD/CAM軟件都具有參數化建模的功能，但有些需要通過軟件接口編程實現，這需要開發人員具有很高的編程水平；其中一些不能通過可視化的操作，就需要用戶掌握好軟件和操作。而CATIA能讓用戶通過樹的視覺特性，使用各種視覺工具來有效地進行三維參數化建模。[3，4]

本文基于橋梁工程施工階段的建模實踐，重點介紹適用于橋梁工程的CATIA軟件的三維建模方法。

三、項目的建模方案

合理的橋梁工程三維模型是橋梁工程的基礎和前提，其將應用于BIM技術指導、數字信息化建設、建設計劃、施工方法與進度的優化及橋梁施工過程中資源的動態管理。合理的橋梁工程三維模型的建立需要以下步驟。

（一）地形地質建模

地形地質模型是基于地形點云，通過處理與優化地形點云，生成三維網絡結構，再通過處理三維網絡結構后形成地形實體模型。得到地形實體模型后，不同角度之間的切換可以清楚地顯示地面波動[5]。這一步的難點在于如何實現AutoCAD信息數據和CATIA數據的交換。為了解決這個問題，該項目開發了一個CATIA軟件數據接口，并開發了一個數據轉換插件以實現AutoCAD和CATIA的數據交換。立體的地形地質模型將適用于BIM應用的后期，可滿足獲取地質開挖面、切割地質開挖體、計算開挖和開挖挖掘側的數據，及切割地質剖面的垂直和水平部分的需要。

（二）橋梁模型的總體設計

CATIA不僅具有系統定義的參數，還具有用戶定義的參數。設計師可以通過以下方式輕松自定義如荷載、約束等各種參數和公式，也可以自定義用戶定義的參數和公式。其中，用戶定義的公式是建立在聯系系統參數和CATIA中的用戶參數之間的。在定義用戶參數之后，設計人員可以為相應的特征參數設置相應的公式的3D模型，以便通過用戶參數驅動系統參數，然后控制圖的實際大小[4]。通過該方案可以很容易地解決使用CAD軟件建立偏斜30°T梁難的橋梁設計問題。為了確定模型建模基礎的正確，需要通過真正的橋梁結構準確地對接坐標，確保模型信息和施工現場數據準確無誤。也可以使用CAD軟件的三維曲面建模功能，以實現曲線外緣的邊緣光束寬度隨邊緣線的變化而變化。根據以上設計原則來建立模型，一方面可以提高模型的準確性，另一方面可以由用戶直接查詢模型坐標來指導施工。

（三）組件設計

橋梁工程中的主要構件一般包括有主梁、連接構件、支撐、基礎、連接節點、橋面板、及輔助設備等。因此，在BIM建模之前，橋梁的主要結構需要與橋梁施工方法相結合，橋梁的主要組成部分都要根據設計組件的圖紙進行建模。雖然CATIA軟件有匯編功能，但它以現有匯編功能對橋梁組件之間的相對位置關系定位還是非常不方便的。對橋梁組件之間的相對位置關系進行定位，首先需要對該項目設計橋梁線的控制信息及空間的控制點進行確定，然后參考這個信息進行建模，最后直接組合成整個結構。

在深入熟悉設計圖紙后，本文重點介紹具有簡單支撐的傾斜梁的T梁的結構的建模。在橋梁工程中超級副本的高效快速建模過程中，大多數組件都是結構構件，而且大多數構件也都不是標準組件。所以，在特定的橋梁項目中，通常會出現較大的差異并且還具有一定子元素的變化。[5]因此，在建模項目中，進行分析組件的類似結構特征，提前將零件嵌入這些組件中，然后通過提取相關裝配信息，在裝配過程中使用相同類型的組件時，就可以通過創建模板進行超級復制，并選擇instantiation命令，用于創建相同類型的其他組件，以實現裝配關系重復定義，這樣可以確保建模準確性并提高建模效率。

四、結語

本文重點研究了基于CATIA軟件進行構建三維模型的一般思路，和探究了在CATIA軟件中知識工程模塊中可使用的可視化工具及方法。其中，劃分和建立BIM的組件的方法決定了它的便利性，同時也取決于項目相關數據的準確性。所建模型要與后續施工階段的進展一致，對質量和安全問題需要更加準確的跟蹤。只有一個符合施工過程的合理模型，才能對施工階段的后續進展，和質量安全問題進行更加合理的跟蹤和準確的監控，所以通過正確的建模方法，結合相關理論進行建模對于BIM的實際應用及擴展研發都意義重大。

【參考文獻】

[1] Gao Jing-jing， Zou Jun-zhen， Zhang Jin-yue. Application of BIM Technology in Bridge Construction[J]. Western China Communications Science & Technology， 2016（1）.

[2] Wang Bin. Research On The Application Of Building Information Modeling In Bridge Engineering[D]. Nanjing， Southeast University， 2015.

[3] Huang Jun-xuan， Zhang Lei， Ye Yi. 3D Modeling Method of Large Bridge based on CATIA[J].Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture， 2012（4）：51-55.

[4] Chen Jing-xin，Xu Jing，Lu Guo-min， et al. Three dimensional parametric modeling method based on CATIA and its application[J]. Journal of Machine Design， 2003， 20（8）：48-50.

[5] Du Xiao， Ren You-feng， Shang Anfan. Application of 3D CATIA in Design of Cable-stayed Bridge with Unequal Span[J].Northwest Hydropower， 2016（3）